基于VHDL的多功能数字钟设计报告.docx

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基于VHDL的多功能数字钟设计报告

基于VHDL的多功能数字钟

设计报告

021215班

卫时章

02121451

一、设计要求

1、具有以二十四小时制计时、显示、整点报时、时间设置和闹钟的功能。

2、设计精度要求为1秒。

二、设计环境：

QuartusII

三、系统功能描述

1、系统输入：

时钟信号elk采用50MHz；系统状态及较时、定时转换的控制信号为k、set,校时复位信号为reset,均由按键信号产生°

2、系统输出：

LED显示输出；蜂鸣器声音信号输出。

3、多功能数字电子钟系统功能的具体描述如下：

（一）计时：

正常工作状态下，每日按24h计时制计时并显示，蜂鸣器无声，逢整点报时。

（2）校时：

在计时显示状态下，按下“k”键，进入“小时”待校准状态，若此时按下“set”键，小时开始校准；之后按下“k”键则进入“分”待校准状态；继续按下“k”键则进入“秒”待复零状态；再次按下“k”键数码管显示闹钟时间，并进入闹钟“小时”待校准状态；再次按下“k”键则进入闹钟“分”待校准状态；若再按下“k”键恢复到正常计时显示状态。

若校时过程中按下“reset"键，则系统恢复到正常计数状态。

（1）“小时”校准状态：

在“小时”校准状态下，显示“小时”的数码管以2Hz闪烁，并按下“set”键时以2Hz的频率递增计数。

（2）“分”校准状态：

在“分”校准状态下，显示“分”的数码管以2Hz闪烁，并按下“set”键时以2Hz的频率递增计数。

（3）“秒”校准状态：

在“秒复零”状态下，显示“秒”的数码管以2Hz闪烁，并以1Hz的频率递增计数。

（4）闹钟“小时”校准状态：

在闹钟“小时”校准状态下，显示“小时”的数码管以2Hz闪烁，并按下“s巳「键时以2Hz的频率递增计数。

（5）闹钟“分”校准状态：

在闹钟“分”校准状态下，显示“分”的数码管以

一输入时钟信号

--每来个时钟上升沿时cout开始计数--当cout<=25000时,qlKHz输出“0”;--当25000

--输出T,完成lKHz频率输出

2Hz闪烁，并按下“set”键时以2Hz的频率递增计数。

（三）整点报时：

蜂鸣器在“59”分钟的第"51”、“53”、“55”、"57”秒发频率为500Hz的低音，在“59”分钟的第“59”秒发频率为1000Hz的髙音，结束时为整点。

（四）显示：

采用扫描显示方式驱动4个LED数码管显示小时、分，秒由两组led灯以4位BCD码显示。

（五）闹钟：

闹钟定时时间到，蜂鸣器发出频率为1000Hz的高音，持续时间为60秒。

四、各个模块分析说明

1、分频器模块（freq,vhd）

（1）模块说明：

输入一个频率为50MHz的CLK,利用计数器分出

lKHz的qlKHz,500Hz的qSOOHz,2Hz的q2Hz和1Hz的qlHz。

（2）源程序：

libraryieee；useieee・stdlogic_l164.all；useieee・stdlogiconsigned・all；

entityfreqisport（CLK：

instdlogic；

qlKHz：

bufferstdlogic；q500Hz：

bufferstdlogic；q2Hz：

bufferstdlogic；qlHz：

outstdlogic）:

endfreq；

architecturebhvoffreqisbegin

P1KHZ：

process（CLK）variablecout：

integer：

=0；begin

ifCLK1eventandCLK二T'thencout：

=cout+l；

ifcout<=25000thenqlKHz<='0'；elsifcout<50000thenqlKHz<=，1elsecout：

=0；

endif；

endif；

endprocess；

P500HZ：

process（qlKHz）—qlKHz作为输入信号，分出qSOOHz

variablecout：

integer：

=0；

begin

ifq1KHzreventandqlKHz=Tthen

cout：

=cout+l；

ifcout=lthenq500Hz<='0'；―二分频

elsifcout=2thencout:

=0:

q500Hz<=rT；

endif；

endif；

endprocess；

P2HZ：

process（q500Hz）

variablecout：

integer：

=0；

begin

ifq500Hzreventandq500Hz二T‘thencout：

=cout+l；

ifcout<=125thenq2Hz<='0'；

elsifcout<250thenq2Hz〈二T‘；elsecout：

=0；

endif；

endif；

endprocess；

P1HZ：

process（q2Hz）

variablecout：

integer：

=0；

begin

ifq2Hzreventandq2Hz二Tthencout：

=cout+l；

ifcout=lthenqlHz〈=O；

elsifcout=2thencout：

二0；qlHz〈二i；

endif；

endif；

endprocess；

endbhv；

2x控制器模块（contral.vhd）

（1）模块说明：

输入端口k,set键来控制6个状态，这六个状态分别是：

显示计时时间状态，调计时的时、分、秒的3个状态，调闹铃的时.分的3个状态，reset键是复位键，用来回到显示计时时间的状态。

（2）波形仿真图：

Sene

dk

reset

set

obh

cth

OW

£1沁flakinfloshz

lrf-l

04

06

5

06

衬纟

Oto

n

（3）模块图:

300as

7

160.0ns

•

400.0ns

•

240pz

460.a0ns

:

control

0

»

elk

cth

—

k

ctm

—

!

—

纯t

cts

—

\—

reset

ebh

—

»I

cbm

—

»

•

>

»

0

flashh

—

flashnn

—

•

•

•

flashs

—

•

>

»

•

s-eLsfww

jinstl

•

二选一模块（mux21a.vhd）

（1）源程序：

libraryieee；useieee・stdlogic_l164.all；useieee・stdlogic_unsigned.all；entitymux21aisport（a,b,s：

inbit;

y：

outbit）；

endentitymux21a；architectureoneofmux21ais

begin

process（a,b,s）

begin

ifs='0，then

y<=a；―若s=0,y输出a,反之输出b。

elsey<=b；endif；endprocess；

endarchitectureone；

（2）仿真波形图：

（3）模块图:

=mux21a

•

?

y

i—

b

i——

s

?

inst2

:

••••••••••••・••••・•・・・•••••••••••••・••・・・•・•・••夕

4.计时模块

a.秒计时（second,vhd）

（1）仿真波形图：

xsldo阳

jnjinjuwurLnjrLnjWiJirLrLnjinLrwumniJinuLrLnJLnjiJTnLnnrLnrLninjij

「「门门x

（2）模块图:

（•••••••••■•••••••

—

r&st

s»D[3..O]

—

dk

sMip..43

co

1—

irtst4

b・分计时（minute,vhd）

（1）仿真波形图：

（2）模块图:

elksk>D[3..O]

ski1[7..4]

co

c.小时计时（hour,vhd）

[hour

»

•

\

dksk»3[3..0J

4

sMip..4]

•

•

•

:

inst6

•

•

•

d.闹钟分计时（cntm60b.vhd）

（1）仿真波形图：

Nano

33u,5.9?

38.®L3.印u,IS.IT18.7?

321.2.9g3

LnjuinirLnarLnnmarLnnnjwnjiRnnrLruwinjumnmnnjuuiruinr

BP

亘

[mirr^b

i

i■

•ensld0[3..0J

4

s

dksldip..4J

•

•

•

•

•

•

inst7

e.闹钟小时计时（cnth24b.vhd）

（1）仿真波形图：

\-Gntti^b\

■—ensWO[3..O]

;—dksldip..4J—*

；!

:

!

:

irast8j

5、闹钟比较模块（compare,vhd）

（1）模块说明：

比校正常计数时间与闹钟定时时间是否相等，若相等，compout输出T,反之输出“0”。

（2）仿真波形图：

1-compare

th1[7..4joompout

tM[3..O]

t（nO[3...O]

bhip..4]

•

bmf[7.,4]

bh0[3.,0]

0

•

>

•

；

bmO[3..0]

jinst§

6、报时模块（bell.vhd）

（1）模块说明：

该模块既实现了整点报时的功能，又实现了闹铃的功能，蜂鸣器通过所选频率的不同，而发出不同的声音。

（2）仿真波形图：

Wane

1ps5.1?

us10.^4us】5.3pus204f8us25.§us3072us

16.5ns

#

openbel

compout

1■■■=■!

■■■=■■■■■'=1=「「「i

qlKKz

曲测蒯ill咂测皿测测呱测i■■删测呱

q500Hz

jmnjwinjTrLnjTrLnnnjTrLrLnjwuuirLnjirLnjinjinrLnjinjirLrLrL

（±1tnl

〔5~

[±jtnO

:

9

13tsl

:

5

□tsO

：

0XlX2：

〈3X4X5X&X7：

〈6：

「mX0）（lX2〉：

3）（4X5X6X7：

〈6）（9X0

bell

l■l■l^l■■lWMlll■l皿L_n_n_nn._nn.jitl一iiil_

（3）模块图:

jtell

!

tell

ts.tp.4]tmop.o

ts.O[3..O]compoutqlKHzq5O3Hz•opsnbel

!

irrstl1

•

7x控制显示模块（show_con

（1）模块说明：

该模忘实现了数码管既可以显示正常时间，又可以显示闹钟时间的功能；调时过程的定时闪烁功能也在此模块中真正实现。

（2）源程序：

libraryieee；

useieee・stdlogic_l164.all；

useieee・stdlogiconsigned・all；

entityshowconis

seel,mini,hl：

outstdlogic_vector（7downto4）；sec0,min0,hO：

outstdlogic_vector（3downto0）:

q2Hztflashs,flashh,flashm,sel_show：

instdlogic）;

endshowcon；architecturertlofshowconis

begin

process（thl,tml,tsl,thO,tmO,tsO,bhl,bml,bhO,bmO,q2Hz,f1ashs,f1ashh,flashm,seishow）

begin

ifsel_show=r0rthen

if（flashh=，11andq2Hz=，1'）thenhl<=',llir,；hO<=,,llir,；一显示小时数码管以2Hz闪烁minl<=tml；min0<=tm0；

secl<=tsl；sec0<=ts0；

elsif（flashm='1'andq2Hz=，1'）then

hl<=thl；hO<=thO；mini<=wllllw;minO<=wllllff;

secl<=tsl；sec0<=ts0；

elsif（flashs='1'andq2Hz=，1'）then

hl<=thl；hO<=thO；

minl<=tml；min0<=tni0；

secl<=Bllir,；secO<=ttllllw；

else

hl<=thl；hO<=thO；

minl<=tml；min0<=tm0；secl<=tsl；secO<=tsO；endif；

elsifseishow二T'then—若seishow为"1”，数码管显示闹钟时间一一

if（flashh二T‘andq2Hz二T'）thenhi<=,,iiii,,；ho<=ffinr,；minl<=bml；minO<=:

bmO;

secl<=tt0000”;sec0<="0000”；

elsif（flashm二T'andq2Hz二T）then

hl<=bhl；hO<=bhO；

minl<=ffllir,；minO<=,，llir,；

sec1<="0000“；sec0<="0000”；

else

hl<=bhl；hO<=bhO；

mini<=bml；min0<=bm0；

sec1<="0000”；sec0<="0000“；

endif；

endif；

endprocess；

endrtl；

（3）模块图：

:

showoora

th1|7..41

sac1[7..4J

L

tm1[7..4）

L

ts1[7.,4]

hip..4）

L

thO[3..O]

Sfe&3[3..0]

L

wop..0]

min（X3..0]

r—

ts-9[3..O）

L

bMp..4）

bm1[7..4J

bW|3..O]

—

j—

q2Hz

i—

flashs

i—

fias-hh

i—

fl35-hm

—

sel_5how

instil）

8＞动态扫描显示模块（scarified,vhd）

（1）模块说明：

由4组输入信号和输出信号进而实现了时钟时、分的动态显示。

（2）源程序：

libraryieee；

useieee・stdlogic_l164.all；

useieee・stdlogic_unsigned・all；entityscan_ledis

port（clkl：

instdlogic；

hO：

instdlogic_vector（3downto0）:

hl：

instdlogic_vector（7downto4）；minO：

instdlogic_vector（3downto0）:

mini：

instdlogic_vector（7downto4）；

ML：

out

MH：

out

HL：

out

HH：

out）;

stdlogic_vector（7stdlogic_vector（7stdlogic_vector（7stdlogic_vector（7

downtodowntodowntodownto

0）

0）

0）

0）

endscanled；architectureoneofseanledis

signalt4：

stdlogic_vector（ldownto0）:

signala：

stdlogic_vector（3downto0）；begin

pl：

process（clkl）

begin

ifclklreventandclkl二ithent4<=cnt4+l;

ift4=3then

t4<="00"；

endif；

endif；

endprocesspl;

p2：

process（cnt4,hl,hO,mini,minO）

begin

caset4is—控制数码管位选

when，，00'r=>caseminOis

when"0000w=>ML<=,r11000000w；

when”0001"=>ML<=T1111001"；

when"0010”=>ML<=T0100100”；

when"0011ff=>ML<="10110000tt；

whenH0100M=>ML<=M10011001

whenh0101m=>ML<=m10010010m；

when”0110”=>ML<=”10000010"；

when,,01ir=>ML<=M11111000M；

whenM1000H=>ML<=hl0000000r，；

whenm1001m=>ML<=m10010000m；whenothers^NULL；

endcase；

when"01"=>caseminiis

whenff0000w=>MH<=w11000000'*；whenM000r=>MH<=Millll00r；when"0010”=>MH<=T0100100”；when"0011,r=>MH<=T0110000”；when"0100”=>MH<=T0011001”；when"0101"=>MH<=T0010010”；when"0110”=>MH<=T0000010”；when"Oil1”=>MH<=T1111000”；whenT000”=>MH<=T0000000”；whenT001”=>MH<=TOO10000"；whenothers^NULL；

endcase；

whenT0"=>casehOis

when"0000”=>HL<="11000000w；

when"0001”=>HL<=T1111001"；when"0010”=>HL<=T0100100”；when"0011ff=>HL<="10110000ff;when"0100”=>HL<=T0011001"；when"0101"=>HL<=T0010010"；when"0110”=>HL<=T0000010”；when"0111”=>HL<=T1111000”；whenT000”=>HL<=T0000000”；whenM1001M=>HL<=M10010000M；whenothers=>NULL；

endcase；

when，，H，，=>casehlis

when"0000”=>HH<="11000000w；

when"0001”=>HH<=T1111001"；when"0010"=>HH<=T0100100"；when"0011,r=>HH<=T0110000”；when"0100”=>HH<=T0011001"；when"0101”=>HH<=T0010010"；when"0110”=>HH<=T0000010”；when"0111"=>HH<=T1111000”；whenT000”=>HH<=T0000000”；when"1001”=>HH<=T0010000"；whenothers=>NULL；

endcase；

whenothers=>null；

endcase；

endprocessp2；endone；

（3）模块图：

jscan_ted

\

dkl

ML[7..O]

-4

r—

HX3.0]

MH[7..O]

T

•

■

•

h1[7..4j

HL[7..O]

•

■

•

mirv3[3..0]

B

•

•

•

•

min1[7..4]

•

；inst17

•

•

•

五、端口设定

k：

button2,set：

buttonl,reset：

buttonO；

Bell：

SW1用于开关蜂鸣器；

=

Q忤Qa就rwls

（）pe^）ASTiiTTaT

Gre^p）as*2irfifl

Q卩吨asp匹“

（ir^）as'zSFTT

3哪）asporTia

Orc^pjftsiSHF

（4FW）A5*ZSTiT

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